綠色建筑中結(jié)構(gòu)材料的性能與質(zhì)量選擇

一、綠色建筑與結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)在關(guān)聯(lián)

綠色建筑的評(píng)價(jià)體系，如我國(guó)的《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，通常包含節(jié)地和室外環(huán)境、節(jié)能和能源利用、節(jié)水和水資源利用、節(jié)材和材料資源利用、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、施工管理、運(yùn)營(yíng)管理、提升及創(chuàng)新等多個(gè)維度。結(jié)構(gòu)材料的選擇與這些維度，特別是“節(jié)材與材料資源利用”和“節(jié)能與能源利用”，存在著深刻的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

首先，在節(jié)材和材料資源利用方面，綠色結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)調(diào)“少用材、用好材、用再生材”?！吧儆貌摹币馕吨ㄟ^(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用高強(qiáng)材料來(lái)減少材料用量；“用好材”指向選擇耐久性好、生命周期長(zhǎng)、維護(hù)需求低的材料，從而延長(zhǎng)建筑使用壽命，減少后期更換和廢棄；“用再生材”則鼓勵(lì)使用工業(yè)廢料、建筑垃圾等再生資源制成的材料，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

其次，在節(jié)能和能源利用方面，結(jié)構(gòu)材料的影響體現(xiàn)在“隱含能”和“運(yùn)行能”兩個(gè)層面。“隱含能”是指材料在開(kāi)采、生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中消耗的總能量，選擇低隱含能的材料是降低建筑初期碳負(fù)荷的關(guān)鍵?！斑\(yùn)行能”則與建筑使用過(guò)程中的采暖、空調(diào)、照明等相關(guān)，部分結(jié)構(gòu)材料（如重質(zhì)混凝土）具有較好的熱惰性，有助于穩(wěn)定室內(nèi)溫度，降低空調(diào)能耗；而現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)等材料則兼具良好的保溫隔熱性能，可直接減少建筑對(duì)主動(dòng)式能源系統(tǒng)的依賴(lài)。

因此，綠色結(jié)構(gòu)材料的選擇不只是技術(shù)問(wèn)題，而是一個(gè)涉及環(huán)境科學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)工程、經(jīng)濟(jì)學(xué)和社會(huì)學(xué)的復(fù)雜系統(tǒng)工程，必須進(jìn)行綜合權(quán)衡與系統(tǒng)決策。這種選擇更是一種價(jià)值導(dǎo)向，其要求我們超越傳統(tǒng)對(duì)材料力學(xué)性能的單一關(guān)注，將材料的“環(huán)境足跡”與“健康屬性”置于同等重要的位置，從而推動(dòng)建筑業(yè)從資源消耗型向環(huán)境友好型實(shí)現(xiàn)根本性范式轉(zhuǎn)變[1]。

二、綠色建筑中主要結(jié)構(gòu)材料的性能分析

（一）混凝土

混凝土是世界上用量最大的人造材料，其綠色化轉(zhuǎn)型對(duì)建筑業(yè)意義重大。

綠色優(yōu)勢(shì)：（1）原材料豐富且可本地化：砂、石、水泥等原材料來(lái)源廣泛，易于就地取材，減少運(yùn)輸成本和能耗。（2）耐久性與可塑性：良好的耐久性可延長(zhǎng)建筑壽命；優(yōu)異的可塑性使其能適應(yīng)各種復(fù)雜的建筑形態(tài)。（3）熱工性能：混凝土具有較大的熱容量，有利于建筑的蓄熱和保溫，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式溫度調(diào)節(jié)。（4）整體性與抗震性：現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的整體性，可以構(gòu)成空間受力體系，在遭遇地震等偶然荷載時(shí)，能量耗散能力強(qiáng)，展現(xiàn)出卓越的抗震性能，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

綠色局限：（1）巨大的碳足跡：水泥生產(chǎn)是混凝土環(huán)境影響的根源，每生產(chǎn)1噸水泥熟料約排放0.8-1噸二氧化碳，是全球碳排放的重要來(lái)源。（2）資源消耗：大量消耗天然砂石資源，導(dǎo)致河道、山體等生態(tài)環(huán)境破壞。（3）回收利用困難：廢棄混凝土的回收利用技術(shù)尚不成熟，多作為低等級(jí)的再生骨料使用，難以實(shí)現(xiàn)高附加值循環(huán)。（4）施工效率和環(huán)境干擾：傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土施工工序繁瑣，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)多，施工周期長(zhǎng)，且易產(chǎn)生粉塵、噪音及污水排放，對(duì)周邊環(huán)境與居民生活造成較大干擾。

綠色創(chuàng)新方向：發(fā)展綠色混凝土技術(shù)是關(guān)鍵，如：使用工業(yè)廢渣（礦渣、粉煤灰、硅灰）替代部分水泥，推廣再生骨料混凝土、研發(fā)低碳水泥以及開(kāi)發(fā)超高性能混凝土，以減少材料用量。另外，探索混凝土和相變材料的復(fù)合應(yīng)用，可進(jìn)一步提升其熱工性能，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的跨越式發(fā)展[3]。

（二）鋼材

鋼材以其極高的強(qiáng)度與良好的延性，在現(xiàn)代大跨度、超高層建筑中占據(jù)主導(dǎo)地位。

綠色優(yōu)勢(shì)：（1）高強(qiáng)輕質(zhì)：強(qiáng)度高，可減小構(gòu)件截面，減輕結(jié)構(gòu)自重，從而節(jié)省材料、降低地基處理成本和運(yùn)輸能耗。（2）100%可回收：鋼材是所有建筑材料中回收率最高的，其回收再利用過(guò)程幾乎不損失力學(xué)性能，是典型的“城市礦山”。采用廢鋼冶煉的電爐工藝，其能耗和碳排放遠(yuǎn)低于高爐轉(zhuǎn)爐工藝。（3）工業(yè)化程度高：鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件易于在工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)裝配化施工，速度快、精度高，可以顯著減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，降低建筑垃圾和環(huán)境污染。（4）空間利用率高：由于鋼材的高強(qiáng)度，構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)更小的截面尺寸，在同等建筑面積下，可以有效增加建筑使用面積，提升空間價(jià)值，這對(duì)于寸土寸金的城市核心區(qū)項(xiàng)目具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

綠色局限：

（1）高隱含碳：傳統(tǒng)的高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程是能源密集型和碳排放密集型過(guò)程，其生產(chǎn)階段的碳足跡巨大。（2）防火與防腐要求：鋼材不耐火，需做防火包裹或涂裝；在潮濕環(huán)境中易銹蝕，需做防腐處理，這些附加措施會(huì)增加成本與材料使用，部分涂料可能含有揮發(fā)性有機(jī)物。（3）初始成本偏高：相較于傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)及配套圍護(hù)體系的初始材料成本與加工安裝費(fèi)用通常更高，這在一定程度上限制了其在一些對(duì)成本敏感的中小型項(xiàng)目中的應(yīng)用[2]。

三、確保綠色建筑結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量的選擇策略

在具體工程項(xiàng)目中，選擇何種質(zhì)量的結(jié)構(gòu)材料或材料組合，需要構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)化的綜合決策框架。

（一）“因地制宜”的本地化策略

建立區(qū)域性的綠色建材數(shù)據(jù)庫(kù)與供應(yīng)鏈信息平臺(tái)。設(shè)計(jì)初期，即對(duì)項(xiàng)目周邊500公里范圍內(nèi)的建材資源進(jìn)行調(diào)研，優(yōu)先評(píng)估本地材料的質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性及環(huán)境效益，如：在工業(yè)廢料（鋼渣、粉煤灰）豐富的地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先考慮使用摻合料混凝土；在林業(yè)資源發(fā)達(dá)且具備現(xiàn)代木加工能力的地區(qū)，可積極推廣木結(jié)構(gòu)建筑，此策略的深層價(jià)值在于構(gòu)建“地域性建筑基因”，使建筑和所在地的自然、文化脈絡(luò)相呼應(yīng)，其不但可以降低長(zhǎng)途運(yùn)輸帶來(lái)的隱含碳，更能激發(fā)地方建材產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新活力，形成良性的區(qū)域經(jīng)濟(jì)循環(huán)。

（二）性能導(dǎo)向與成本控制的動(dòng)態(tài)平衡

摒棄“唯成本論”的短視思維，構(gòu)建全生命周期成本核算模型，此模型不但包括材料的初始采購(gòu)成本與建造成本，還需納入運(yùn)營(yíng)階段的維護(hù)、維修、更換成本，以及拆除階段的回收價(jià)值及處置成本。同時(shí)，將環(huán)境效益內(nèi)部化，如：估算因采用綠色材料而獲得的碳減排收益、政策獎(jiǎng)勵(lì)、綠色建筑認(rèn)證帶來(lái)的品牌溢價(jià)等，為實(shí)現(xiàn)此平衡，需引入量化評(píng)估工具，如：建筑信息模型和生命周期評(píng)估的耦合應(yīng)用。通過(guò)數(shù)字化模擬，可直觀對(duì)比不同質(zhì)量材料方案在數(shù)十年周期內(nèi)的綜合表現(xiàn)，將抽象的環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)成本轉(zhuǎn)化為可度化的決策依據(jù)，為投資方提供兼具前瞻性和科學(xué)性的投資回報(bào)分析。

（三）設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維一體化的協(xié)同策略

材料質(zhì)量選擇不只是結(jié)構(gòu)工程師的“獨(dú)角戲”，而是施工方、建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、造價(jià)師、設(shè)備工程師等多方協(xié)同的過(guò)程。在方案設(shè)計(jì)階段就應(yīng)介入材料質(zhì)量選擇，確保材料特性與建筑形態(tài)、空間布局、設(shè)備系統(tǒng)、施工工藝能夠深度融合。如：選擇暴露式結(jié)構(gòu)，既能展現(xiàn)材料本身的美感，也能保證質(zhì)量，減少二次裝修，且能利用其熱工性能；選擇預(yù)制構(gòu)件，需和現(xiàn)場(chǎng)條件、施工單位的吊裝能力相匹配。這種一體化協(xié)同能確保所選綠色結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量及帶來(lái)的綜合效益。更進(jìn)一步，要構(gòu)建基于共同項(xiàng)目目標(biāo)的“集成項(xiàng)目交付”（IPD）模式，把各方利益和項(xiàng)目整體效益綁定，通過(guò)早期、透明、頻繁的溝通，打破信息壁壘，保證材料質(zhì)量選擇的每一個(gè)決策都能在設(shè)計(jì)意圖、結(jié)構(gòu)安全、施工便捷和長(zhǎng)期運(yùn)維之間找到最優(yōu)解，最終實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的協(xié)同增值效應(yīng)[4]。

 四、結(jié)語(yǔ)

綠色建筑的理念為結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)和應(yīng)用指明了“綠色化”的方向；而新型綠色結(jié)構(gòu)材料的不斷涌現(xiàn)，又持續(xù)地為綠色建筑的實(shí)踐注入新的活力，拓展其內(nèi)涵與邊界。二者相輔相成，互為因果，才能共同推動(dòng)建筑業(yè)向著更高效、更健康、更環(huán)保的未來(lái)可持續(xù)發(fā)展。所以，在未來(lái)的綠色建筑實(shí)踐中，要將結(jié)構(gòu)材料的性能與質(zhì)量選擇置于戰(zhàn)略高度，通過(guò)材料科學(xué)的進(jìn)步與設(shè)計(jì)理念的革新，共同構(gòu)建人與自然和諧共生的建筑環(huán)境。

文章來(lái)源：《產(chǎn)品可靠性報(bào)告》http://www.12-baidu.cn/w/kj/32519.html